Preview

Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE)

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Доступ платный или только для Подписчиков

Получение энергии из биогаза, обогащенного водородом, на мини-ТЭС малой мощности

https://doi.org/10.15518/isjaee.2024.08.030-045

Аннотация

В работе представлены результаты исследования возможности использования биогаза, обогащенного водородом, на паротурбинной мини-ТЭС мощностью 1 МВт, в которой был организован процесс аккумулирования тепловой энергии. Двухстадийная биологическая конверсия органических отходов была рассмотрена в технологической схеме как основа получения биоводорода и биогаза. Пять составов газообразного топлива было проанализировано в этой работе. Содержание биоводорода варьировали с шагом от 15% до 45%. При генерировании пара применялся котел производительностью 25 т/ч, его расчет являлся ключевым в блоке получения энергии. Для быстрой переработки отходов с минимальным временем гидравлического удержания наиболее эффективно использование газа с содержанием водорода до 15%. Ежедневная переработка отходов составит при этом от 349,87 до 362,21 тонн, а избыток технического водорода чистоты 99,99% можно будет реализовать в баллонах. Количество органических удобрений, получаемое на мини-ТЭС, будет составлять не менее 241 т/сут. КПД парового котла будет равен 95%. Полученный пар направляется в паровую турбину мощностью 1 МВт для производства электроэнергии. Хотя наименьшее количество дымовых газов образуется при сжигании в паровом котле топлива с содержанием водорода 45%, это технологически невозможно реализовать в рассматриваемой схеме, т. к. имеется дефицит H2. Следует отметить, что расход топлива в паровом котле растет по мере увеличения доли водорода. На основании всестороннего анализа можно утверждать, что для проектирования паротурбинной мини-ТЭС на водороде недостаточно стандартных методик и необходимо проведение дополнительных исследований.

Об авторах

Ю. В. Караева
Институт энергетики и перспективных технологий ФИЦ Казанский научный центр РАН
Россия

Караева Юлия Викторовна - ведущий научный сотрудник лаборатории энергетических систем и технологий, кандидат технических наук.

420111, Казань, ул. Лобачевского, д. 2/31, а/я 260

Researcher ID F-6917-2017, Scopus Author ID 56856782800



С. С. Тимофеева
ФГБОУ ВО «Казанский государственный энергетический университет»
Россия

Тимофеева Светлана Сергеевна - доцент кафедры Энергетическое машиностроение, кандидат технических наук.

420066, Казань, ул. Красносельская, д. 51

Researcher ID AAZ-5531-2020, Scopus Author ID 56711352400



М. В. Савина
ФГБОУ ВО «Казанский государственный энергетический университет»
Россия

Савина Мария Валерьевна - доцент кафедры Энергетическое машиностроение, кандидат технических наук.

420066, Казань, ул. Красносельская, д. 51

Scopus Author ID 26425221700



К. И. Сунгатуллин
Институт энергетики и перспективных технологий ФИЦ Казанский научный центр РАН
Россия

Сунгатуллин Камиль Ильгизарович - лаборант-исследователь лаборатории энергетических систем и технологий.

420111, Казань, ул. Лобачевского, д. 2/31, а/я 260



А. А. Ковалев
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ»
Россия

Ковалев Андрей Александрович - главный научный сотрудник лаборатории биоэнергетических технологий, доктор технических наук.

109428, Москва, 1-й Институтский проезд, д. 5

Researcher ID F-7045-2017, Scopus Author ID 57205285134



Д. А. Ковалев
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ»
Россия

Ковалев Дмитрий Александрович - заведующий лабораторией биоэнергетических технологий, кандидат технических наук.

109428, Москва, 1-й Институтский проезд, д. 5

Researcher ID K-4810-2015



В. А. Панченко
ФГБОУ ВО «Российский университет транспорта»
Россия

Панченко Владимир Анатольевич - кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры РУТ; старший научный сотрудник лаборатории Федерального научного агро-инженерного центра ВИМ.

127994, ГСП-4, Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9

ResearcherID P-8127-2017, Scopus Author ID 57201922860, Web of Science Researcher ID AAE-1758-2019



Ю. В. Литти
ФИЦ Биотехнологии РАН
Россия

Литти Юрий Владимирович - заведующий лабораторией микробиологии антропогенных мест обитания, кандидат биологических наук.

119071, Москва, Ленинский проспект, д. 33, стр. 2

Researcher ID C-4945-2014, Scopus Author ID 55251689800



Список литературы

1. Pomdaeng P., Kongthong O., Tseng C. -H., Dokmaingam P., Chu C. -Y. An immobilized mixed microflora approach to enhancing hydrogen and methane productions from high-strength organic loading food waste hydrolysate in series batch reactors // International Journal of Hydrogen Energy. 2024, vol. 52, part A, 160-169. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.09.187

2. Valiullina A. I., Grachev A. N., Valeeva A. R., Bikbulatova G. M., Zabelkin S. A., Bashkirov V. N. The Use of Biopolyols Obtained from Liquid Birch Sawdust Pyrolysis Products as a Renewable Component in the Production of Rigid Polyurethane Foams // Polymer Science, Series D. 2022, vol. 15, 300-305. https://doi.org/10.1134/S1995421222020307

3. Valiullina A. I., Valeeva A. R., Zabelkin S. A., Grachev A. N., Bikbulatova G. M., Bashkirov V. N. Effect of molar ratios of phenol, formaldehyde, and catalyst on the properties of phenol-formaldehyde resin with partial replacement of synthetic phenol with depolymerized lignocellulose biomass // Biomass Conversion and Biorefinery. 2023, vol. 13, 12225-12233. https://doi.org/10.1007/s13399-021-02071-y

4. Karaeva J., Timofeeva S., Islamova S., Bulygina K., Aliev F., Panchenko V., Bolshev V. Pyrolysis of Amaranth Inflorescence Wastes: Bioenergy Potential, Biochar and Hydrocarbon Rich Bio-Oil Production // Agriculture. 2023, vol. 13, 260. https://doi.org/10.3390/agriculture13020260

5. Ruwa T. L., Abbasoglu S., Akun E. Energy and Exergy Analysis of Biogas-Powered Power Plant from Anaerobic Co-Digestion of Food and Animal Waste // Processes. 2022, vol. 10 (5), 871. https://doi.org/10.3390/pr10050871

6. Chettri D., Verma A. K., Ghosh S., Verma A. K. Biogas from lignocellulosic feedstock: current status and challenges // Environmental Science and Pollution Research. 2023. https://doi.org/10.1007/s11356-023-29805-x

7. Diamantis V., Eftaxias A., Stamatelatou K., Noutsopoulos C., Vlachokostas C., Aivasidis A. Bioenergy in the era of circular economy: Anaerobic digestion technological solutions to produce biogas from lipid-rich wastes // Renewable Energy. 2021, vol. 168, 438-447. https://doi.org/10.1016/j.renene.2020.12.034

8. Nadaleti W. C., Gomes J., de Souza E., Santos M., Belli P., Borges A., Mohedano R., Libardi N., R da Silva F. M., Correa E., Vieira B. Biomethane and biohydrogen production from an anaerobic sludge used in the treatment of rice parboiling effluent: Specific methanogenic and hydrogenic activity // International Journal of Hydrogen Energy. 2024, vol. 62, 702-710. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.01.157

9. Pal D., Banerjee S., Chandra S., Das D., Pandit S., Roy A., Hasan M., Khandaker M. U., Alreshidi M. A. The generation of biohydrogen from pretreated algal biomass in batch fermentation mode // International Journal of Hydrogen Energy. 2024. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.01.078

10. Ozen Da§ І. T., OzmihQi S., Buyukkamaci N. Environmental impact analysis of different wastes to biohydrogen, biogas and biohytane processes // International Journal of Hydrogen Energy. 2024, vol. 56, 1446-1463. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.12.184

11. Nguyen T. -T., Ta D. -T., Lin C. -Y., Chu C. -Y., Ta T. -M. -N. Biohythane production from swine manure and pineapple waste in a single-stage two-chamber digester using gel-entrapped anaerobic microorganisms // International Journal of Hydrogen Energy. 2022, vol. 47, Is. 60, 25245-25255. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.05.259

12. Kabir S. B., Khalekuzzaman Md., Hossain N., Jamal M., Alam Md. A., Abomohra A. E. -F. Progress in biohythane production from microalgae-wastewater sludge co-digestion: An integrated biorefinery approach // Biotechnology Advances. 2022, vol. 57, 107933. https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2022.107933

13. Sinsuw A. A. E., Chen T. -H., Dokmaingam P., Suriandjo H. S., Chu C. -Y. Life cycle assessment of environmental impacts for two-stage anaerobic biogas plant between commercial and pilot scales // International Journal of Hydrogen Energy. 2024, vol. 52, part A, 58-70. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.06.331

14. Grzona M. V. D. P., Izurieta E. M., Adrover M. E., Borio D. O., Lopez E., Pedernera M. N. Design studies of a pure hydrogen production plant from biogas // International Journal of Hydrogen Energy. 2024, vol. 52, part B, 1-10. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.07.202

15. Karaeva J. V., Khalitova G. R., Kovalev D. A., Trakhunova I. A. Study of the Process of Hydraulic Mixing in Anaerobic Digester of Biogas Plant // Chemical and Process Engineering. 2015, vol. 36, is. 1, 101-112. https://doi.org/10.1515/cpe-2015-0008

16. Chen H., Huang R., Wu J., Zhang W., Han Y., Xiao B., Wang D., Zhou Y., Liu B., Yu G. Biohythane production and microbial characteristics of two alternating mesophilic and thermophilic two-stage anaerobic co-digesters fed with rice straw and pig manure // Bioresource technology. 2021, vol. 320, part A, 124303. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2020.124303

17. Wang T., Zhang H., Zhang Y., Wang H., Lyu J., Yue G. Efficiency and emissions of gas-fired industrial boiler fueled with hydrogen-enriched nature gas: A case study of 108 t/h steam boiler // International Journal of Hydrogen Energy. 2022, vol. 47, is. 65, 28188-28203. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.06.121

18. O-Tong S., Mamimin C., Prasertsan P. Bio-hythane production from organic wastes by two-stage anaerobic fermentation technology. Advances in Biofuels and Bioenergy, 2018. https://doi.org/10.5772/inte-chopen.74392

19. Rawoof S. A. A., Kumar P. S., Vo D. -V. N., Devaraj T., Subramanian S. Biohythane as a high potential fuel from anaerobic digestion of organic waste: A review // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2021, vol. 152, 111700. https://doi.org/10.1016/j.rser.2021.111700

20. Ruwa T. L., Abbasoglu S., Akun E. Energy and Exergy Analysis of Biogas-Powered Power Plant from Anaerobic Co-Digestion of Food and Animal Waste // Processes. 2022, vol. 10(5), 871. https://doi.org/10.3390/pr10050871

21. Kontokostas G., Goulos I. Techno-economic assessment of gas turbine cogeneration cycles utilizing anaerobic digestion products for biogas fuel // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2017, vol. 139, 011401. https://doi.org/10.1115/1.4034156

22. Bamisile O., Huang Q., Dagbasi M., Taiwo M., Adebayo V. Energy, exergy and environmental analyses of a biomass driven multi-generation system // International Journal of Exergy. 2020, vol. 31, No. 3, 249-267. https://doi.org/10.1504/IJEX.2020.106454

23. Hosseini S. E., Wahid M. A. Development of biogas combustion in combined heat and power generation // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2014, vol. 40, 868-875. https://doi.org/10.1016/j.rser.2014.07.204

24. Mohammadpour M., Houshfar E., Ashjaee M., Mohammadpour A. Energy and exergy analysis of biogas fired regenerative gas turbine cycle with CO2 recirculation for oxy-fuel combustion power generation // Energy. 2021, 119687. https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.119687

25. Sung T., Kim S., Kim K. C. Thermoeconomic analysis of a biogas-fueled micro-gas turbine with a bottoming organic Rankine cycle for a sewage sludge and food waste treatment plant in the Republic of Korea // Applied Thermal Engineering. 2017, vol. 127, 963-974. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2017.08.106

26. Gholizadeh T., Vajdi M., Mohammadkhani F. Thermodynamic and thermoeconomic analysis of basic and modified power generation systems fueled by biogas // Energy Conversion and Management. 2019, vol. 181, 463-475. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2018.12.011

27. Al-Rashed A. A. A. A., Afrand M. Multi-criteria exergoeconomic optimization for a combined gas turbine-supercritical CO2 plant with compressor intake cooling fueled by biogas from anaerobic digestion // Energy. 2021, vol. 223, 119997. https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.119997

28. N. A., Laurensia R., Wijayanto D. S., Perdana V. L., Fasola M., Imran M., Saw L. H., Handogo R. Exergy Analysis of Boiler Process Powered by Biogas Fuel in Ethanol Production Plant: a Preliminary Analysis // Energy Procedia. 2017, vol. 142, 216-223. // https://doi.org/10.1016/j.egypro.2017.12.035

29. Sun M., Huang X., Zhao Y., Zhang P., Zhou Y. Design of a partially premixed burner for biogas-fired wall-mounted boiler // International Journal of Low-Carbon Technologies. 2021, Vol. 16, Is. 1, 212-219. https://doi.org/10.1093/ijlct/ctaa055

30. Buyukakin M. K., Oztuna S. Numerical investigation on hydrogen-enriched methane combustion in a domestic back-pressure boiler and non-premixed burner system from flame structure and pollutants aspect // International Journal of Hydrogen Energy. 2020, vol. 45, is. 6, 35246-35256. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.03.117

31. Bălănescu D. T., Homutescu V M. Effects of hydrogen-enriched methane combustion on latent heat recovery potential and environmental impact of condensing boilers // Applied Thermal Engineering. 2021, vol/ 197, 117411. https://doi.org/10.1016/j.applther-maleng.2021.117411

32. Gheshlaghi M. K. G., Tahsini A. M. Numerical investigation of hydrogen addition effects to a methane-fu-eled high-pressure combustion chamber // International Journal of Hydrogen Energy. 2023, vol. 48, is. 86, 3373233745. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.05.119

33. Schiro F., Stoppato A., Benato A. Modelling and analyzing the impact of hydrogen enriched natural gas on domestic gas boilers in a decarbonization perspective // Carbon Resources Conversion. 2020, vol. 3, 122-129. https://doi.org/10.1016/j.crcon.2020.08.001

34. Giacomazzi E., Troiani G., Di Nardo A., Cal-chetti G., Cecere D., Messina G., Carpenella S. Hydrogen Combustion: Features and Barriers to Its Exploitation in the Energy Transition // Energies. 2023, vol. 16(20), 7174. https://doi.org/10.3390/en16207174

35. Marin G. E., Osipov B. M., Titov A. V., Akhmetshin A. R. Gas turbine operating as part of a thermal power plant with hydrogen storages // International Journal of Hydrogen Energy. 2023, vol. 48, is. 86, 3339333400. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.05.109

36. Wegener M., Malmquist A., Isalgue A., Martin A. Biomass-fired combined cooling, heating and power for small scale applications - A review // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2018, vol. 96, 392-410. https://doi.org/10.1016/j.rser.2018.07.044

37. Mingaleeva G., Afanaseva O., Nguen D. T., Pham D. N., Zunino P. The Integration of Hybrid Mini Thermal Power Plants into the Energy Complex of the Republic of Vietnam // Energies. 2020, vol. 13(21), 5848. https://doi.org/10.3390/en13215848

38. Dubinin A. M., Shcheklein S. E. Mini coal-fired CHP plant on the basis of synthesis gas generator (CO + H2) and electrochemical current generator // International Journal of Hydrogen Energy. 2023, vol. 42, Is. 41, 26048-26058. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.06.190

39. Karaeva J. V., Kamalov R. F., Kadiyrov A. I. Production of biogas from poultry waste using the biomass of plants from Amaranthaceae family // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2019, vol. 288, 012096. https://doi.org/10.1088/1755-1315/288/1/012096

40. Mariani A., Brequigny P., Masurier J. -B., Unich A., Minale M., Foucher F. Experimental Investigation on the Combustion of Biogas Containing Hydrogen in a HCCI Engine // 16th International Conference on Engines & Vehicles, SAE Italy, 2023, Capri, Italy. https://dx.doi.org/10.4271/2023-24-0056

41. Bui V. G., Bui T. M. T., Tran V. N., Huang Z., Hoang A. T., Tarelko W., Bui V. H., Pham X. M., Nguyen P. Q. P. Flexible syngas-biogas-hydrogen fueling spark-ignition engine behaviors with optimized fuel compositions and control parameters // International Journal of Hydrogen Energy. 2023, vol. 48, is. 18, 6722-6737. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.09.133

42. Novotny V From biogas-to hydrogen - Based integrated urban water, energy and waste solids system - Quest towards decarbonization // International Journal of Hydrogen Energy. 2022, vol. 47, Is. 19, 10508-10530. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.01.085

43. Siberian Association of Power Engineering. Equipment catalog. Steam boiler https://saem.su/kata-log-produktsii/parovye_kotly_e-_dse-_ke-_de-_dkvr/parovye_kotly_de_4/6-5/10/16/25/parovoy_kotel_de-25-24gm-o-ye-25-2-4gm

44. Esterkin R. I. Industrial boiler systems (Leningrad: Energoatomizdat). 1985. - 400 p. (in Russian).

45. Haldar D., Bhattacharjee N., Shabbirahmed A. M., Anisha G. S., Patel A. K., Chang J. -S., Dong C. -D., Singhania R. R. Purification of biogas for methane enrichment using biomass-based adsorbents: A review // Biomass and Bioenergy. 2023, vol. 173, 106804. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2023.106804

46. Mohammadpour M., Ashjaee M., Houshfar E. Thermal performance and heat transfer characteristics analyses of oxy-biogas combustion in a swirl stabilized boiler under various oxidizing environments // Energy. 2022, vol. 261, part A, 125206. https://doi.org/10.1016/j.energy.2022.125206

47. Boulahlib M. S., Medaerts F., Boukhalfa M. A. Experimental study of a domestic boiler using hydrogen methane blend and fuel-rich staged combustion // International Journal of Hydrogen Energy. 2021, vol. 46, is. 75, 37628-37640. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.01.103

48. Czekala W. Digestate as a Source of Nutrients: Nitrogen and Its Fractions // Water. 2022, vol. 14, 4067. https://doi.org/10.3390/w14244067

49. Macedo W. N., Monteiro L.G., Corgozinhol.M., Macêdo E. N., Rendeiro G., Braga W., Bacha L. Biomass based microturbine system for electricity generation for isolated communities in amazon region // Renewable Energy. 2016, vol. 91, 323-333. https://doi.org/10.1016/j.renene.2016.01.063

50. Agonafer T. D., Eremed W. B., Adem K. D. Biogas-based trigeneration system: A review // Results in Engineering. 2022, vol. 15, 100509. https://doi.org/10.1016/j.rineng.2022.100509


Рецензия

Для цитирования:


Караева Ю.В., Тимофеева С.С., Савина М.В., Сунгатуллин К.И., Ковалев А.А., Ковалев Д.А., Панченко В.А., Литти Ю.В. Получение энергии из биогаза, обогащенного водородом, на мини-ТЭС малой мощности. Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2024;(8):30-45. https://doi.org/10.15518/isjaee.2024.08.030-045

For citation:


Karaeva J.V., Timofeeva S.S., Savina M.V., Sungatullin K.I., Kovalev A.A., Kovalev D.A., Panchenko V.A., Litti Yu.V. Generating energy from hydrogen-enriched biogas at low-power mini-thermal power plants. Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). 2024;(8):30-45. (In Russ.) https://doi.org/10.15518/isjaee.2024.08.030-045

Просмотров: 192


ISSN 1608-8298 (Print)